Домашнее задание № 2. Обработка динамограмм работы скважинных штанговых насосных установок.

Динамограммой называется зависимость нагрузки на какой-либо элемент установки от времени или другого фактора. Для установок скважинных штанговых насосов динамограмма строится, чаще всего, как зависимость нагрузки на полированный шток от времени хода этого элемента или от перемещения полированного штока. В первом случае динамограмма является разомкнутой, во втором – замкнутой. Именно такая, замкнутая динамограмма, в основном, используется для определения основных рабочих параметров СШНУ: максимальных и минимальных нагрузок, удлинения колонны штанг и труб, наличия и величины динамических нагрузок, сил трения и т.д.

Простейшая теоретическая динамограмма нормальной работы штангового насоса имеет форму параллелограмма (см. рис. 2.1, левый). Она строится для условий, когда насос исправен и герметичен, цилиндр насоса заполнен несжимаемой жидкостью, клапаны насоса являются абсолютно герметичными и потери давления в них равны нулю, в насосной установке не возникают динамические нагрузки, коэффициент наполнения насоса равен единице.

Рис. 2.1. Теоретическая (слева) и фактическая (справа) динамограммы

Процесс восприятия нагрузок штангами изображается наклонной линией АБ. Отрезок Б₁Б соответствует в масштабе перемещений сумме деформаций штанг и труб (определение деформации см. в Домашнем задании № 1). Прямая БВ, параллельная оси абсцисс, отвечает максимальной статической нагрузке у точки подвеса за ход вверх (см. Д.З. № 1).

Процесс разгрузки штанг в условиях полного заполнения цилиндра несжимаемой жидкостью протекает аналогично процессу восприятия нагрузки и изображается линией ВГ, параллельной АБ. Дальнейшему движению устьевого штока вниз при постоянной нагрузке, равной весу штанг в жидкости минус силы трения, соответствует прямая ГА (см.Д.З. №1)..

Действительная динамограмма работы штангового насоса отличается от теоретической в основном из-за влияния сил инерции и колебательных процессов в колонне штанг (см.Д.З. №1). Вследствие влияния сил инерции динамограмма оказывается повернутой на некоторый угол по часовой стрелке, а продольные колебания в колонне штанг вызывают волнообразное изменение нагрузки на устьевой шток.

Для полного и правильного чтения динамограммы необходимо выявить все факторы, влияющие на работу насоса. Для этого на основе практической динамограммы производят расчет элементов и построение теоретической динамограммы и их совмещение. Этот процесс называется обработкой динамограммы.

Измерение нагрузки в точке подвеса штанг производится по вертикали, приведенной перпендикулярно к нулевой линии динамограммы, которая прочерчивается перед монтажом динамографа на канатной подвеске.

Нагрузка Р определяется по формуле

P = L* p_д, (2.1)

где L — расстояние по вертикали от нулевой линии до точки, где измеряется нагрузка, мм; р_д — масштаб усилий динамографа, Н/мм.

Масштабом усилий называется величина нагрузки на устье­вой шток, вызывающей отклонение пера самописца по вертика­ли на 1 мм. Масштаб усилий можно найти и после динамометрирования из выражения

P = P' _шт / L_о, (2.2)

где L_o — расстояние от нулевой линии до линии веса штанг, мм.

Для точного определения масштаба усилий динамограф следует периодически тарировать. Тарировку можно производить на универсальной тарировочной машине или гидравлическим прессом для всех трех масштабов измерения усилий.

Перемещения по динамограмме измеряются по горизонтали как расстояния между перпендикулярами, проведенными к нулевой линии через заданные точки динамограммы. Для измерения фактического перемещения необходимо знать масштаб пе­ремещений m, представляющий собой отношение длины хода устьевого штока S к длине динамограммы l (линия АГ, или Б₁В),

m = S / l (2.3)

Для построения расчетной динамограммы необходимо подсчитать статическую нагрузку, вес колонны штанг и деформацию труб и штанг. Статическая нагрузка определяется по формуле (2.4)

P_ст = P_ж + P¹_шт (2.4)

где Р_ж — вес жидкости над плунжером насоса;

P_ж = F_пл H_д ρ_жg 10^-4 (2.5)

F_пл — площадь сечения, плунжера, м²; Н_д — динамический уровень жидкости, м;

р_ж — плотность жидкости в подъемных трубах, кг/м³;

Р¹_шт — вес колонны штанг в жидкости;

Р¹_шт = A P_шт (2.6)

А = (ρ_шт - ρ_ж) / ρ_шт, - коэффициент Архимеда

Р¹_шт = q₁ l₁ + q₂ l₂ +q₃ l₃ (2.7)

|Для нанесения линии веса штанг на динамограмму определяется ее удаление от нулевой линии из выражения

L₀=P'_шт/p (2.8)

Отложив величину L_o на перпендикулярах, проводят линию АГ₁.

Расстояние линии статической нагрузки от нулевой линии рассчитывается по формуле

L_ст = P_ст / p (2.9)

Отложив L_ст на вертикальной оси динамограммы, проводят горизонтальную линию Б₁В.

Линия восприятия нагрузки АБ находится отложением на линии Б₁В величины деформации труб и штанг в масштабе. Деформация труб и штанг определяется по формуле:

λ= λ_шт + λ_тр = P_ж L_сп (1 / f_шт + 1 /f_тр) / 2.1 * 10⁶ (2.10)

где: L_сп – глубина спуска насоса, м; f_шт -площадь поперечного сечения штанг, м²; f_тр - площадь поперечного сечения тела НКТ, м².

Величина отрезка, соответствующего значению деформации труб и штанг, составляет

Б₁Б= λ /т (2.11)

Отложив на линии веса штанг линию Г₁Г = Б₁Б и соединив точки А, Б, Г и В, определяют линию восприятия нагрузки АБ и линию снятия нагрузки ВГ.

На динамограмме линия Б₁В представляет собой длину хода устьевого штока S, линия БВ — длину хода плунжера S_пл, а ли­ния АГ — полезный или эффективный ход плунжера S_эф. Из-за неполного заполнения цилиндра жидкостью линии БВ и АГ на практических динамограммах могут быть не равными. Используя соотношения этих величин в масштабе, можно определить коэффициенты подачи η и наполнения насоса β.

η = S _эф/ S = AГ / Б_lB (2.12)

β = S _эф / S _пл = AГ/БB. (2.13)

Практические динамограммы. В зависимости от параметров штанговой насосной установки практические динамограммы нормальной работы насоса имеют весьма разнообразные очертания (рис. 2.2).

На форму динамограммы существенно влияют глубина спуска насоса, число качаний балансира, наличие свободного газа в цилиндре насоса, неисправность клапанных узлов и т.д.

Так, с увеличением глубины спуска насоса увеличивается высота линии нагрузки при ходе вниз по отношению к нулевой линии, возрастает нагрузка от веса жидкости при сохранении отношения веса штанг к весу жидкости, на динамограмме укладывается меньшее число полуволн колебаний нагрузки.

С увеличением числа качаний на динамограмме появляются затухающие волнообразные изменения нагрузки при ходе плунжера вверх и вниз.

При наличии утечки жидкости в нагнетательной части насоса (см. Приложение рис. 3) процесс восприятия нагрузки изображается линией, имеющей меньший угол наклона к горизонтали, чем линия восприятия нагрузки при нормальной работе насоса; правый верхний угол динамограммы закруглен; линия снятия нагрузки идет более круто и угол, образуемый ею и нулевой линией, имеет больший наклон.

Характерные особенности динамограммы насоса, имеющего утечки в приемной части, следующие (см. Приложение рис. 4): процесс снятия нагрузки изображается линией, угол наклона которой к нулевой меньше, чем у линии снятия нагрузки при нормальной работе насоса; левый нижний угол динамограммы закруглен; линия восприятия нагрузки идет более круто и угол между ней и нулевой линией имеет больший наклон.

Если насосная установка имеет одновременные утечки в приемной и нагнетательной частях, то динамограмма имеет закругление левого нижнего и правого верхнего углов (см. Приложение рис. 5).

Утечка жидкости из НКТ не придает динамограмме каких-либо специфических очертаний. Однако при помощи динамометрирования можно установить ее наличие. Для этого при остановленном СК несколько раз прочерчивают линию максимальной нагрузки в течение 10—15 мин. Если эта линия при повторной записи не совпадает с первой, то имеют место утечки через НКТ.

Динамограммы работы штангового насоса при откачке жидкости с газом имеют следующие характерные очертания (см. Приложение рис. 6): линия снятия нагрузки представляет собой кривую с той или иной кривизной, выпуклость которой обращена влево вверх; процесс снятия нагрузки протекает замедленно, вследствие чего открытие нагнетательного клапана происходит позже, чем при нормальной работе; левый нижний и правый верхний углы динамограммы острые; линии снятия и восприятия нагрузки параллельны.

При низкой посадке плунжера снижение нагрузки и последующий набор этой нагрузки на динамограмме записывают по-разному. Если удар нерезкий, нагрузка снижается плавно, посадка плунжера записывается в виде петли в нижнем левом углу динамограммы (см. Приложение рис. 7). Линия воспри­ятия нагрузки отодвигается вправо от своего нормального положения. Петля удара всегда располагается ниже линии веса штанг. При ударах плунжера полезная длина его хода уменьшается на длину горизонтальной проекции петли.

При высокой посадке плунжера динамограмма имеет резкое снижение нагрузки или петлю в верхнем правом углу (см. Приложение рис. 8 и 9). Часто петля располагается выше линии статической нагрузки.

Обрыв (отворот) штанг записывается на динамограмме в виде узкой горизонтальной замкнутой линии. Динамограмма совпадает с линией веса штанг, если обрыв произошел у самого плунжера или вблизи этой точки(Приложение, рис.10).

Обработка практической динамограммы ведется в следующем порядке:

1.Записываются исходные данные - глубина подвески насоса, диаметр

насоса, конструкция колонны штанг, диаметр колонны НКТ, замеренный дебит жидкости, плотность жидкости, длина хода головки балансира

станка-качалки, число качаний, глубина расположения динамического

уровня, величина буферного давления, величины длины и высоты динамограммы.

2. Находится масштаб перемещений.

3. Определяется длина ступеней штанг

4. Определяется вес 1метра штанг в воздухе

5. Определяется вес колонны штанг в жидкости.

6. Определяется расстояние линии веса штанг от нулевой линии

7. Определяется площадь плунжера насоса.

8.Определяется нагрузка от веса жидкости

9.Определяется расстояние линии статической нагрузки от нулевой

10. Определяется площадь сечения штанг

11. Определяется площадь сечения тела НКТ

12. Определяется деформация колонны штанг и труб

14. Определяется потеря хода полированного штока в масштабе перемещений динамограммы

15. Определяется максимальная и минимальная нагрузка на полированный шток

16. Определяется коэффициент подачи насоса

17. Определяется коэффициент наполнения насоса

18. Определяется дебит скважины:

19 Определяется ошибка в определении подачи насоса

20. Определяются основные неполадки в работе СШНУ и принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации.

Задание.

Провести диагностику работы СШНУ по динамограмме (выдается преподавателем) в соответствии с исходными данными (табл.2.1).

Таблица 1. Исходные данные для расчета

Вари-ант	Глубина спуска, м	Диаметр насоса, мм	Кол-во штанг 19 мм	Кол-во штанг 22 мм	Диам. НКТ, мм	Длина хода пол. штока,м	Число ходов 1/мин	Масштаб Н/мм	Ндин м	Рбуф, МПа
1	1000	57	55	70	73	2.1	6	815	690	1.2
2	1104	44	65	73	73	2.5	5	1020	700	1.2
3	1200	38	68	82	73	3.0	6	900	800	1.2
4	1304	44	75	88	73	3.0	7	1200	870	1.2
5	1400	32	85	90	73	3.5	5	1100	890	1.2
6	1448	38	85	96	73	2.5	6	870	900	1.2
7	1280	32	75	85	73	3.0	4.8	900	770	1.2
8	1600	32	90	110	73	3.5	5	1070	1100	1.2
9	1648	29	100	106	60	2.1	5.5	1240	1200	1.2
10	1696	32	100	112	60	1.8	6.3	780	1270	1.2
11	1504	38	90	98	73	1.5	6.5	800	1160	1.2
12	1448	44	75	106	73	1.8	7	900	1060	1.2
13	1296	57	90	72	73	2.5	8	815	980	1.3
14	1200	38	75	75	73	2.1	9	1020	910	1.3
15	1104	57	58	80	73	2.8	5	900	930	1.3
16	1000	44	50	75	73	3.0	6	1200	710	1.3
17	904	70	79	34	89	2.1	5	1100	780	1.3
18	952	57	70	49	73	1.8	6	870	650	1.3
19	1000	44	58	67	73	2.5	7	900	780	1.3
20	1200	38	60	90	73	2.1	8	1070	1040	1.3
21	1104	44	60	78	73	2.1	7	1240	930	1.3
22	1304	38	70	93	73	3.0	6	780	970	1.3
23	1256	32	50	107	60	3.0	9	800	880	1.3
24	1320	38	64	101	73	2.1	8	900	1100	1.3
25	1760	32	70	150	73	3.0	6	1000	1300	1.1